超級電容器電極材料研究——錳/鈷/鎳基電極材料

本書以開發(fā)錳/鈷/鎳基金屬氧化物、硫化物和磷化物高效儲能材料為主題，系統(tǒng)概述了各類儲能電極材料在超級電容器領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進展，并詳細介紹了作者近些年在超級電容器電極材料研究方面的代表性工作，具體涵蓋了錳/鈷/鎳基金屬氧化物、硫化物和磷化物材料的合成、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系以及在儲能系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。
本書可供從事超級電容器儲能方面的專業(yè)技術(shù)人員、高校涉及新能源專業(yè)的本科生和研究生參考學習。

龐明俊，博士，山西大同大學煤基生態(tài)碳匯技術(shù)教育部工程研究中心，主要從事超級電容器電極材料的開發(fā)及應(yīng)用研究。曾參與國家國際科技合作專項“有機系超級電容制備技術(shù)的引進與開發(fā)（2014DFR61140）”，吉林省工信廳新能源汽車重大專項“一汽插電式混合動力客車復合電源研究開發(fā)（A08-BK-2013）”，參與了課題高比容量活性炭材料的研發(fā)，集流體表面改性技術(shù)的研究，在超級電容器的電極材料的設(shè)計與合成方面已積累了豐富的經(jīng)驗。2011年至今，一直在錳、鈷和鎳基金屬氧化物、硫化物和磷化物的制備及儲能應(yīng)用方面進行了大量的基礎(chǔ)研究，同時，也進行了超級電容器器件性能研究。

本書以開發(fā)錳、鈷和鎳基金屬氧化物、硫化物和磷化物高效儲能材料為主題，簡要介紹了目前超級電容器電極材料的研究現(xiàn)狀和儲能機制，系統(tǒng)介紹了錳、鈷和鎳基金屬氧化物、硫化物和磷化物儲能材料在超級電容器領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進展，重點對石墨烯/無定形 α-MnO2 復合材料，分級 δ-MnO2納米片電極材料，氧化鈷納米材料，鈷酸鎳納米電極材料，鈷鎳雙金屬氧化物，鈷鎳雙金屬磷硫化物，鈷鎳雙金屬硫化物和鈷鎳雙金屬磷化物納米材料的制備，結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系以及電極儲能性能及器件性能進行了詳細的介紹，希望可以為讀者提供更多的借鑒和參考。

隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源發(fā)展的日益關(guān)注，能源儲存技術(shù)在能源高效利用方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。超級電容器作為一種新型儲能技術(shù)，具有功率高、免維護、壽命長等優(yōu)異性能，成為學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點。而電極材料作為超級電容器的核心組成部分，其性能的優(yōu)劣直接決定了超級電容器的儲能性能。
根據(jù)儲能和轉(zhuǎn)化機理，現(xiàn)有電極材料可分為三類：雙電層電容材料、贗電容或電池型材料以及由雙電層電容材料和活性材料組成的復合材料。與雙電層電容材料的高倍率能力和循環(huán)穩(wěn)定性相比，贗電容或電池型電極材料，包括各種導電聚合物、過渡金屬氫氧化物、氧化物、硫化物、氮化物和磷化物，具有較高的比容量和能量密度。近年來，錳/鈷/鎳基金屬氧化物、硫化物和磷化物儲能材料因其具有高比容量、長循環(huán)壽命、低內(nèi)阻等優(yōu)點，逐漸成為超級電容器電極材料的研究熱點。然而，該類材料在制備、改性、應(yīng)用等方面仍存在諸多挑戰(zhàn)和問題，亟待深入研究和探討。
筆者從2011年始在吉林大學新型電池物理與技術(shù)教育部重點實驗室從事超級電容器儲能技術(shù)研究，十多年來一直從事錳/鈷/鎳基電極材料的制備、結(jié)構(gòu)表征與性能研究，取得了一些創(chuàng)新性的研究成果，希望能夠?qū)⒆约涸谶@方面的工作成果和經(jīng)驗體會總結(jié)出來，為從事超級電容器研究的學者和同行提供有益的參考和指導，進而推動錳/鈷/鎳基電極材料在超級電容器領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。
本書基于筆者的科研成果及國內(nèi)外的相關(guān)研究進展撰寫而成，以開發(fā)錳/鈷/鎳基金屬氧化物、硫化物和磷化物高效儲能材料為主題，簡要介紹了目前超級電容器電極材料的研究現(xiàn)狀和儲能機制，系統(tǒng)介紹了錳/鈷/鎳基金屬氧化物、硫化物和磷化物儲能材料在超級電容器領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進展，重點對石墨烯/無定形α-MnO2復合材料、分級δ-MnO2納米片電極材料、氧化鈷納米材料、鈷酸鎳納米電極材料、鈷鎳雙金屬氧化物、鈷鎳雙金屬磷硫化物、鈷鎳雙金屬硫化物和鈷鎳雙金屬磷化物納米材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系以及電極儲能性能及器件性能進行了詳細的介紹，希望可以為讀者提供更多的借鑒和參考。
本書得到了山西省自然科學基金項目（20210302124491，20210302123341）、山西省高等學?？萍紕?chuàng)新項目（201802097，2019L0745）、大同市重點研發(fā)計劃項目（2023003）和山西大同大學博士科研啟動基金項目（2016-B-14，2016-B-20）等的資助，也得到了山西大同大學煤基生態(tài)碳匯技術(shù)教育部工程研究中心等科研平臺的大力支持。
衷心感謝我的導師紀媛教授，在科研過程中她給予了我無私的指導和幫助，為我提供了寶貴的學術(shù)資源和建議，這為本書的形成起到?jīng)Q定性的作用。同時，蔣尚副教授為本書的完成給予了極大的鼓勵和支持。研究生何文秀、毛苗苗、龐敏、張如霞、宋兆陽、武志宇和焦玉琳等人在相關(guān)文獻資料的整理和文字編排方面作出了很大貢獻，這些工作為本書主要內(nèi)容的形成奠定了堅實的基礎(chǔ)。另外，本書的編寫得到了化學工業(yè)出版社的大力支持。在此一并致以衷心的感謝。
盡管我們已經(jīng)盡力確保本書內(nèi)容的準確性和完整性，但是由于水平所限，書中不當之處在所難免。歡迎讀者提出寶貴的意見和建議，以便我們不斷改進和完善。

龐明俊   
2024年6月

第1章 緒論  001
1.1 引言  001
1.2 超級電容器簡介  002
1.2.1 超級電容器的優(yōu)缺點及常見的單體  002
1.2.2 超級電容器的組成  005
1.2.3 超級電容器的儲能原理  007
1.3 超級電容器電極材料的電化學性能測試  010
1.3.1 比容量  010
1.3.2 倍率  014
1.3.3 能量密度和功率密度  014
1.3.4 循環(huán)性能  015
1.3.5 內(nèi)阻  015
1.4 超級電容器電極材料  017
1.4.1 碳基材料  017
1.4.2 導電聚合物材料  018
1.4.3 過渡金屬氧化物及其衍生物電極材料  019
1.5 材料表征設(shè)備  033
參考文獻  034

第2章 石墨烯/無定形α-MnO2復合電極材料  045
2.1 引言  045
2.2 電極材料的制備  046
2.2.1 石墨烯（GNS）的合成  046
2.2.2 GNS/α-MnO2復合材料共沉淀合成  047
2.3 電極片的制備  047
2.4 材料的表征  048
2.4.1 晶相結(jié)構(gòu)表征  048
2.4.2 形貌表征  049
2.5 電化學性能測試  054
參考文獻  058

第3章 分級δ-MnO2納米片  062
3.1 引言  062
3.2 δ-MnO2納米片的原位生長  063
3.3 反應(yīng)溫度對MnNF電極材料生長的影響  064
3.4 MnNF電極材料的生長機理  066
3.5 MnNF電極材料的結(jié)構(gòu)表征  067
3.6 MnNF電極電化學性能測試  070
3.6.1 循環(huán)伏安測試  070
3.6.2 恒流充放電測試  072
3.6.3 電化學阻抗測試  073
參考文獻  075

第4章 CoO/Co3O4納米復合材料  078
4.1 引言  078
4.2 CoO/Co3O4復合材料的制備  079
4.3 CoO/Co3O4復合材料的表征  079
4.3.1 晶相結(jié)構(gòu)表征  079
4.3.2 形貌表征  081
4.4 CoO/Co3O4電極材料的電化學性能測試  085
4.4.1 三電極體系測試  085
4.4.2 兩電極體系測試  091
參考文獻  093

第5章 高比表面積的介孔NiCo2O4納米球  097
5.1 引言  097
5.2 NiCo2O4納米球的典型合成方法  099
5.3 NiCo2O4納米材料的表征  099
5.4 NiCo2O4納米材料的電化學性能測試  104
5.4.1 三電極體系測試  104
5.4.2 非對稱電容器性能  109
參考文獻  113

第6章 磷硫化鈷鎳雙金屬納米材料  116
6.1 引言  116
6.2 材料制備  118
6.2.1 CoNi-OH納米前驅(qū)體的制備  118
6.2.2 S-P-CoxNiy納米材料電極的制備  119
6.2.3 S-P-CoxNiy||活性炭非對稱電容器的組裝  119
6.3 S-P-CoxNiy納米材料的表征  121
6.4 S-P-CoxNiy納米材料儲能性能  127
6.4.1 三電極體系測試  127
6.4.2 非對稱電容器性能  137
參考文獻  142